1数据采集
以国内某典型SKS冶炼企业为对象，对主要冶炼工艺环节进行物料跟踪采样、流量统计和样品的实验室分析。通过现场调研，将该企业SKS铅冶炼工艺中四个主要工艺环节划为砷元素流向审计诊断工作的调研区域，并确定了主要输入输出物质。在划分环节边界时，为避免冶炼过程中一些难以统计物料的返回使用对采样、审计与诊断工作造成的困难，此类返用物料均未越过所划分的环节边界。四个主要工艺环节分为氧气底吹炉冶炼环节、鼓风炉和烟化炉冶炼环节、粗铅精炼环节以及反射炉冶炼环节。该区域内主要工艺流程及采样点如图1所示。实际生产过程中，生产原料的来源和配比往往不稳定。本文采用跟踪采样的方法［14］，结合SKS炼铅工艺特点，采集同一批原料在流经各环节时所输出的物质信息，以避免原料元素组分变化和相应工艺条件变化等因素对砷流向审计工作造成的干扰。为了实现跟踪采样，调研了每个环节中物料自进入至输出所需时间，并以此为依据，结合环节间物料传输的实际情况估算了同一批原料进入冶炼系统后流经至各采样点的时间结点，制定了跟踪采样方案。采样方案中每批样品的采集包含22个采样点，其中固体样品采集点18个，液体样品采集点4个，每个样品均采集了平行样。固体样品冷却至常温后装于样品袋中，液体样品使用洗净的广口瓶采集。砷含量测定:现场采集的固体样品使用GB/T15555.3—1995《固体废物砷的测定二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法》、液体样品使用GB7485—87《水质总砷的测定二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法》。
2系统设计与实现
设计并实现了铅冶炼有害砷元素流向审计与诊断系统，该系统拟通过录入现场调研数据建立SKS法主体工艺流程中的砷元素流向审计与预测模型，并使用该模型模拟审计和预测砷元素在该区域内的分布与流向。
2.1总体设计
系统总体结构设计参照了表示层、业务逻辑层和数据访问层组成的标准三层体系结构［15］，如图2所示。其中表示层实现用户的操作界面，分为:采样数据操作、系统状态审计、模型模拟、流向测算和审计与诊断五个子系统;业务逻辑层为系统提供SQL基础数据服务;数据访问层包含储存有采样数据、模型建立数据、流向测算数据和系统参数的数据库。SKS铅冶炼有害砷元素流向审计与诊断系统包括:采样数据操作、系统状态审计、模型模拟、流向测算和审计与诊断五个子系统。系统的总体功能框架结构如图3所示。采样数据操作子系统实现对采样数据的基本操作功能，包括查询、录入、编辑和删除。系统状态审计子系统实现系统信息汇总显示的功能，该系统将环节总量审计状态和类型分量审计状态的信息分四个工艺环节汇总显示，便于用户直观掌握系统的数据与模拟状态。状态信息包括采样数据录入、模型模拟和测算的完成状态。环节分量审计状态提供对系统状态的更详细的显示。模型模拟子系统实现预测模型的建立，提供了多种模型建立方法，用户可从线性模型、对数模型和指数模型三种中选取。模型建立过程以各环节的采样数据为原始数据，根据数据库中系统参数表里存储的物质输入输出对应关系，建立用户选定类型的数学模型。模型的建立基于线性拟合的基本方法。流向测算子系统将模型模拟子系统中建立的模型用于流向预测和计算。测算过程需要用户输入的砷元素进入总量为模型输入数据，调用已生成的模型参数测算在用户给定的进入量下，砷元素在系统各环节中的流向及在各产出物质中的含量。审计与诊断子系统对测算结果进行分类汇总，将其分别按环节和按类型(分为各类有价值产物、固体废物、废水、废气等)进行总量审计和诊断，并评价审计过程中的物料平衡情况。
2.2数据库设计
系统使用SQLServer数据库服务进行数据读取和数据库管理。系统包含的数据主要分为4类，分别是采样数据、模型建立数据、流向测算数据和系统参数。其详细说明如下:采样数据包括现场调研统计时获取的24h内物质流量数据和实验室分析得到的样品砷含量数据，通过对二者进行综合计算可得到单位时间内各物质中砷的总量。采样数据是建立模型的数据来源。模型建立数据包含两类，分别为模型辅助参数和模型参数。前者为建立模型时的设置参数，包括模型信息和建立模型时的数据字段对应关系，后者为模型建立产生的模型参数。模型参数表中只存储最后一次模拟生成的模型数据。测算数据为系统模拟预测所得结果，由系统使用模型参数计算用户给定的系统输入量数据得到。测算数据表中仅存在一条记录，系统经过每次测算后，将覆盖之前的测算结果。
2.3系统实现
系统使用C#语言编写，数据库使用SQLServer2005，界面为Windows窗体。图4所示为系统运行截图，该界面实现了氧气底吹炉环节的系统状态查询和砷元素流量测算功能。
3数据结果
在采样调研工作中使用跟踪采样方法采集了连续2个月内的4批样品。使用铅冶炼有害砷元素流向审计与诊断系统对调研所得4组数据进行录入和模型建立，并使用测试数据执行流向预测功能，所得到的预测结果汇总与诊断界面如图5所示。所采集4批样品的系统的预测与审计结果表明，流入系统中的砷元素约有50%进入了鼓风炉及烟化炉，并以该环节产物的形式输出;从类型上看，渣和烟尘是SKS炼铅法中砷元素的主要输出途径。然而，除上述较为集中的位置外，砷元素于整个系统的产物中广泛存在，仅在铅锭和除污酸以外的废水中含量较少。具体而言，预测结果表明在氧气底吹炉环节中，90%的砷进入了高铅渣，并作为原料进入鼓风炉;粗铅中有2%的砷流经，作为粗铅精炼环节的原料流入该环节。本环节的产物中进入污酸的砷量相对较高，约占输入量的5%。在鼓风炉和烟化炉组成的环节中，粗铅中含有环节输入总量中约42%的砷，并作为原料进入下一环节。此外，鼓风炉烟尘(约23%)、次氧化锌(约19%)作为本环节的输出产物，为砷的主要流出途径。粗铅精炼环节的主要原料为其他各环节产生的粗铅，其砷总量约为整个系统输入砷总量的50%。铜浮渣(又名粗铅灰)中输出了本环节中大约58%的砷，并作为原料进入反射炉环节。阳极泥中流入了环节中约40%的砷，其他产物中砷流经量相对较少。反射炉环节中，砷主要通过冰铜(约64%)和粗铅(约29%)输出，其中粗铅为粗铅精炼环节的原料。该环节砷输入总量只占系统输入量的28%，相比其他环节，其输入量较少。将系统的预测与审计结果整理得到砷元素的流向分布图(见图6)。
4结论
基于回归拟合和物流审计的方法，建立SKS炼铅法主要工艺环节中输入物质与输出物质间砷含量关系的模型，构建了具有砷元素流向的模拟、预测和审计功能的SKS铅冶炼有害砷元素流向审计与诊断系统，可结合多组采样数据实现砷元素在主要工艺环节中流向的持续审计与预测。使用该系统对某典型SKS法炼铅企业有毒有害砷元素分布与流向进行了诊断，发现砷元素在SKS法各工艺环节中普遍存在，且有接近50%的砷流入了鼓风炉及烟化炉环节的产物中;在类型上，砷主要进入了多种废渣中。相比传统的人工审计方式，该系统可结合多组源数据，进行持续的审计与预测，具有快速高效、节约人力、可自动模拟预测的优点。所开发系统的应用有利于推动企业和政府部门对冶炼过程产生的有毒有害污染物开展跟踪和集中防治，并可指导其他行业相关工作的开展。
作者：汤景文 史美清 王海鹰 柴立元 邹滨 单位：中南大学冶金与环境学院 国家重金属污染防治工程技术中心 中南大学地球科学与信息物理学院